KR102362595B1 - 모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법 및 하이브리드-구조 부품 - Google Patents

모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법 및 하이브리드-구조 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 금속성 재료 시트를 성형하는 단계, 복합 재료 시트를 제공하는 단계, 상기 금속성 재료 시트의 일 면 상에 접합 재료 층을 도포하거나 상기 복합 재료 시트의 면 상에 접합 재료 층을 도포하는 단계, 상기 복합 재료 시트를 상기 금속 재료 시트의 형상으로 성형하고 상기 복합 재료 시트를 상기 접합 재료 층에 의해 상기 금속 재료 시트에 접합시킴으로써 하이브리드 요소를 성형하는 단계, 및 폴리머 재료를 이용한 오버몰딩에 의해서 강성화 요소들을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법 및 하이브리드-구조 부품
본 발명은 모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법 및 이에 대응하는 하이브리드-구조 부품에 관한 것이다.
"하이브리드-구조 부품"이라는 용어는 몇 개의 상이한 재료, 특히 금속성 재료 및 하나 이상의 폴리머 재료에 의해 형성된 구조 부품을 지칭한다.
모터 차량의 특정 구조적 부재는 특히 충격시 응력을 받고 차량 구조의 완전성을 유지하기 위해 충격 에너지의 일부를 흡수할 수 있어야 한다. 이러한 구조적 부재는 또한 다양한 구조적 기능을 견딜 수 있을 정도로 충분히 강해야 한다. 이는 예를 들어, 측면 충돌 동안 높은 수준의 응력을 받고 또한 힌지를 통해 후방 도어를 유지하고 전방 도어의 폐쇄 시스템을 통한 전방 도어의 저항을 유지해야 하는 모터 차량 중심 필러(pillar)가 그렇다.
또한, 제조업체는 에너지 소비를 줄이기 위해 모터 차량 구조체들을 경량화하고자 한다.
서로 다른 재료로 형성된, 소위 하이브리드-구조체들은, 일반적으로 금속성 재료 및 폴리머 재료로 구성된다.
문헌 DE3011336A1에는 금속 시트와 섬유-강화 폴리머 재료를 본딩 또는 프레싱을 통해서 조립함으로써 획득된 경량 부품이 개시되어있다. 이 문헌에서 설명된 방법은, 획득된 부품의 강도는 언급되지 않았지만, 강화된 외관을 가진 부품을 제조한다.
문헌 EP0370342A2는 생산하기 쉽고 강도 및 강도 및 경도가 우수한 경량의 구조 부품을 기재하고 있다. 이러한 구조 부품은 그의 공동 내측에, 인젝션된 폴리머 재료로 이루어진 리브들(ribs)의 네트워크를 갖는 중공 편으로 형성된다. 이러한 중공 부품은 금속성일 수 있거나 고온 가압에 의해 성형된 섬유-강화 폴리머 일 수 있다. 리브들의 네트워크는 십자형 연결부들에 의해 상기 중공 부품에 연결된다. 이러한 유형의 연결은 중공 부품을 약화시키는 단점을 갖는다. 또한, 불연속 지점들에 의한 이러한 연결은 중공 부품과 리브들의 네트워크가 최적의 방식으로 결합하여 작용하지 못하게 하고 중량의 분산(shedding)을 방해한다.
문헌 EP1550604B1은 열-활성화된 표면 피복물로 이미 코팅된 금속성 재료의 시트가 형성되고 열가소성 재료가 상기 표면 피복물을 갖는 금속성 재료의 시트의면에 도포되는, 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법을 기술하고 있다. 이러한 유형의 하이브리드-구조 부품의 강도는 반-구조적(semi-structural) 부품에 적합하지만, 충격 시에, 특히 중앙 필러, 필러 A 또는 C, 길이방향 외측 사이드레일, 루프 크로스 부재, 임팩트 빔, 또는 임의의 다른 구조적 차량 요소와 같은 모터 차량 새시의 구조 부품들로 적합하지 않을 수 있다.
문헌 DE 102009042272A1는 금속 시트 상에 배치된 폴리머 재료의 보강층 및 상기 보강층에 도포된 열가소성 재료로 이루어지고 리브들을 갖는 보강 구조를 갖는 구조 부품을 개시한다. 이러한 금속 시트의 에지들은 보강층 또는 보강 구조체에 의해 피복되지 않는다.
본 발명은 경량이고 특히 충격에 강한 모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법을 제안함으로써 이러한 단점을 극복하는 것을 목표로 한다.
이와 관련하여, 본 발명의 목적은 모터 차량의 하이브리드-구조 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다:
모터 차량의 하이브리드-구조 부품(hybrid-structure part)을 제조하는 방법으로서,
(a) 금속성 재료 시트를 성형하는 단계;
(b) 폴리머 매트릭스 내에 함침되거나 매립된 하나 이상의 섬유 층을 포함하는 복합 재료 시트를 제공하는 단계로서, 상기 섬유 층은 단일방향 섬유 층 및 직조된 섬유 층 중에서 선택되는, 상기 복합 재료 시트를 제공하는 단계;
(c) 성형 전 또는 후에, 상기 금속성 재료 시트의 일면 상에 접합 재료(bonding material) 층을 도포하거나, 성형 전 또는 후에, 상기 복합 재료 시트의 일면 상에 접합 재료 층을 도포하는 단계;
(d) 상기 복합 재료 시트를 상기 금속성 재료 시트의 형상으로 성형하고, 상기 복합 재료 시트가 상기 금속성 재료 시트의 면을 부분적으로 피복하도록, 상기 복합 재료 시트를 상기 접합 재료 층에 의해 상기 금속성 재료 시트에 접합함으로써, 하이브리드 요소(hybrid element)를 형성하는 단계; 및
(e) 하이브리드-구조 부품을 형성하기 위해 폴리머 재료를 사용하여 상기 형성된 하이브리드 요소의 적어도 일부를 오버몰딩(overmolding)함으로써 강성화 요소들(rigidfication elements)을 생성하는 단계로서, 상기 폴리머 재료가 상기 복합 재료 시트에 의해 피복되지 않은 상기 금속성 재료 시트의 면의 영역들을 적어도 부분적으로 피복하는, 상기 강성화 요소들을 생성하는 단계.
이러한 방법은 특히 충격에 강하고 경량인 하이브리드-구조 부품을 획득할 수 있게 한다. 상기 금속성 재료 시트는 신장에 대한 양호한 저항성을 제공하고, 상당한 변형의 경우, 상기 복합 재료 시트는 금속성 재료 시트의 형상과 일치하고, 충격을 흡수할 수 있는 조립체의 능력을 증강시키면서 조립체의 강성 및 기계적 강도를 증가시킨다. 마지막으로, 오버몰딩된 폴리머 재료는 하이브리드-구조 부품을 강성화시키고 강화시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 하이브리드 요소의 성형 단계(d)는 상기 복합 재료시트가 상기 금속성 재료 시트의 일면을 부분적으로 피복하도록 수행되고, 상기 강성화 요소를 생성하는 단계(e)는 상기 폴리머 재료가 상기 복합 재료 시트에 의해 피복되지 않은 상기 금속성 재료 시트의 면 영역들을 적어도 부분적으로 피복하도록 구현된다.
단계(a) 및 단계(b)는 임의의 순서로 일어날 수 있음을 주목해야 한다; 이러한 단계들의 순서는 서로 바뀔 수 있다.
단계(a)
상기 성형 단계(a)와 관련하여, 이 단계는 냉간 또는 열간 가공 단계일 수 있다. 상기 금속성 재료 시트는 예를 들어, 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께, 유리하게는 0.1 내지 1 ㎜, 바람직하게는 0.2 내지 0.8 ㎜의 두께를 갖는 시트 금속일 수 있다. 이러한 금속성 재료 시트는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 이들 금속 중 하나 이상에 기초한 합금으로 이루어질 수 있거나, 철계 합금, 예를 들어, 스틸 또는 스테인레스 스틸로 이루어질 수 있다. 금속성 재료는 냉간 가공 가능한 재료, 특히 스틸일 수 있다.
상기 금속성 재료 시트는 바람직하게 최종 하이브리드-구조 부품의 외측 부분을 형성한다. 이러한 금속성 재료 시트는 금속성이기 때문에, 공장 조립 라인에서 현재 존재하는 방법을 수정하지 않고도 일반적인 용접 기술로 차체 상에 조립될 수 있다.
단계(b)
상기 복합 재료 시트를 제공하는 단계(b)에 있어서, 상기 복합 재료 시트는 열가소성 또는 열경화성 폴리머 매트릭스 내에 함침되거나 매립된 적어도 하나의 섬유 층을 포함하고, 상기 섬유 층은 단일방향 섬유 층 및 직조된 섬유 층으로부터 선택될 수 있다. 따라서, 이러한 섬유 층은 연속 보강재를 형성하며, 이는 부품 길이의 전체 또는 일부에 걸쳐서 또는 부품의 표면 전체 또는 일부에 걸쳐 연장된다. 따라서, 이러한 유형의 하나 이상의 층이 존재함으로써 하이브리드-구조 부품의 강도가 향상된다.
복합 재료 시트가 단일방향 섬유들로 구성된 수 개의 층을 가질 때, 이러한 섬유 층들은 바람직하게는 모두 동일한 방향으로 정렬된다. 일반적으로, 단일방향 섬유의 방향은 제조될 부품의 길이가 가장 긴 방향과 평행하게 선택된다.
직조된 섬유들로 구성된 여러 층들이 존재하는 경우, 이러한 섬유들의 주 방향들은 층들 간에서 동일하거나 서로 상이할 수 있다.
바람직하게는, 단일방향 섬유들 또는 직조형 섬유 웹의 섬유들은 가장 긴 방향을 따라서 부품의 강도를 향상시키기 위해 제조될 구조 부품의 가장 길이가 긴 방향을 따라서 배향될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합 재료 시트는 단일방향 섬유로 구성된 적어도 하나의 층 및 직조된 섬유로 구성된 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 단일방향 섬유는 섬유 방향에서의 응력에 대한 저항 및 강성을 향상시키는 반면, 직조된 섬유는 하이브리드-구조 부품의 충격에 대한 내성을 향상시킨다. 이로써, 특히 내충격성을 가지면서 충격 흡수가 가능한 하이브리드-구조 부품이 얻어진다.
유리하게는, 상기 단계(b)에서 제공된 복합 재료 시트는 동일하거나 상이한 섬유들로 구성된 하나 이상의 층을 포함할 수 있으며, 상기 섬유들은 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 금속성 섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택된다.
바람직하게는, 상기 복합 재료 시트는 단일방향 탄소 섬유로 구성된 적어도 하나의 층 및 직조된 유리 섬유로 구성된 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.
본 발명은 단일방향 및/또는 직조된 섬유들로 구성도니 특정 개수의 층들로 제한되지 않는다. 층들의 개수는 예를 들어, 목표 강도, 특히 파열 강도에 따라서 및/또는 목표 최대 두께에 따라서 선택될 수 있다. 복합 재료의 시트는 예를 들어 3 내지 6 ㎜, 유리하게는, 3 내지 5 ㎜, 및 바람직하게는 4 내지 5 ㎜의 두께를 가질 수 있다.
유리하게는, 상기 복합 재료 시트는 단방향 섬유 층과 직조된 섬유 층이 교번하여 적층된 구조체를 포함할 수 있다. 이러한 적층구조체는 중첩된 2 개 내지 6 개의 섬유 층을 포함할 수 있다. 이러한 적층구조체는 유리하게 대칭적으로 분포될 수 있다. 예를 들어, 7 개 정도의 적층구조체들 또는 그 이상의 개수의 적층 구조체들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 2 내지 6 개의 섬유 층들로 구성된 5 개의 적층구조체가 고려될 수 있다.
복합 재료 시트의 섬유 함량은 가변적일 수 있다. 이는, 예를 들어, 40 내지 85 중량 %, 유리하게는 50 내지 85 중량 %, 바람직하게는 55 내지 80 중량 %이다.
상기 복합 재료 시트에 존재하는 열가소성 폴리머 재료는 지방족 폴리아미드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌, 전술한 폴리머들 중 하나 이상의 혼합물을 포함한다. 예를 들면, 폴리아미드 66(PA66) 또는 폴리아미드 6(PA6)이 사용될 수 있다.
복합 재료 시트에 존재하는 열경화성 폴리머 재료는 폴리에스테르 수지, 에스테르 비닐, 에폭시, 폴리우레탄 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 따라서, SMC(Sheet Molding Compound) 타입 제품을 성형할 수 있다.
상기 복합 재료 시트는 가능하게는 고압에서의, 이중 벨트 프레스 상에서의, 압축에 의한(예를 들어, 캘런더링(calandering)에 의한), 풀트루전에 의한, 또는 다른 적절한 방법에 의한, 예를 들어, 중합 중 단량체 함침 방법에 의한, RTM(Resin Transfer Molding)과 같은 공지된 방법들에 의해서 생성될 수 있다.
이러한 복합 재료 시트는 최종 하이브리드-구조 부품의 높은 에너지 흡수 능력을 제공함으로써 충격에 대한 내성을 향상시킨다. 복합 재료 시트는 심각한 변형을 받을 때에 수많은 고장 모드를 결합하며, 각 고장 모드는 에너지를 흡수한다. 이러한 고장 모드는 특히 다음과 같다:
- 폴리머의 파열,
- 섬유의 파열,
- 복합 층들 사이의 박리(다중 층들이 존재할 경우임)
- 섬유와 폴리머 사이의 결합력 손실,
- 섬유와 폴리머 사이의 마찰.
단계(c)
본 단계는 성형 단계(a) 전 또는 후에, 바람직하게는 단계(a) 후에, 또는 단계(b) 후에 수행될 수 있다.
접합 재료 층은 복합 재료 시트의 폴리머와 바람직하게 화학적으로 양립 가능한 폴리머 재료의 층일 수 있지만, 이는 의무 사항은 아니다.
유리하게는, 접합 재료는 사전결정된 온도 조건 하에서 복합 재료 시트를 금속성 재료 시트에 접합시킬 수 있다. 접합 재료는 "핫멜트(hot-melt)" 접착제로도 알려진 "열-활성화가능한(heat-activatable)" 재료일 수 있다.
예를 들어, 접합 재료가 열-활성화될 수 있는 조건은 복합 재료 시트의 핫 스탬핑 조건 또는 오버몰딩 재료의 오버몰딩 조건이다.
접합 재료는 가교 결합성 재료일 수 있다. 이러한 유형의 재료에 있어서, 후속하는 연성화는, 특히 주어진 기간 동안 사전결정된 온도(바람직하게는, 복합 재료 시트의 핫 스탬핑 조건의 것들 또는 제조 라인 상에서 전기 영동 사이클 및 페인팅의 것들)에 노출 시에 가능하지 않다. 이는 충분한 홀딩 능력으로 복합 재료 시트를 금속성 재료의 시트에 적어도 부분적으로 접합시킬 수 있으며, 이로써, 제조시의 가열 공정 중에 가교 결합 반응이 종료되더라도 금속성 시트 및 복합 재료 시트가 올바른 기하학적 위치에서 유지되도록 이 2 개의 시트들이 서로에 대해서 이동하는 것을 제한하거나 막으면서, 자동차 제조사의 생산 라인 상의 모든 가열 단계를 통과할 수 있게 하는 이점을 갖는다.
접합 재료는 또한 가교결합 가능하지 않은 핫-멜트 재료일 수 있다. 이러한 비가교성 핫-멜트 접합 재료는 코폴리에스테르계 또는 코폴리아미드계 재료 또는 폴리올레핀계 엘라스토머 열가소성 재료로부터 선택될 수 있다.
가교결합가능한 핫-멜트 접합 재료는 가능하게는 이소시아네이트, 에폭시드 또는 심지어 폴리올레핀을 포함하는 코폴리아미드계 재료들 중에서 선택될 수 있다. 접착제 타입 접합 재료는 WO20010-136241A1, EP2435246A1에 기재되어있다.
예를 들어, CA 2321884C에 기재된 실리콘계 재료 또는 HCM(Heat Melt Curable) 폴리우레탄 접착제와 같은 열접착을 가능하게 한다면, 다른 유형의 재료도 또한 고려될 수 있으며, 여기서 열거된 것들로 제한되지 않는다.
예를 들어, 다음의 재료들이 사용될 수 있다:
- 가교결합가능한 핫-멜트 접합 재료: Evonik®, Vestamelt® X1333-P1, Nolax® HCM 555, Lohmann DuploTEC®, Tesa HAF®.
- 비가교결합성 핫-멜트 접합 재료: EMS Griltex® CE20, EMS Griltex®CT100, Nolax Cox® 391.
단계(d)
하이브리드 요소의 성형 단계(d)에서, 상기 복합 재료 시트는, 상기 금속성 재료 시트에 도포되기 이전에 그리고 이를 접착 재료 층을 사용하여 금속성 재료 시트에 부착하기 이전에, 성형될 수 있다. 그러나, 이러한 성형 단계는 유리하게는, 부품의 제조를 용이하게 하고 제조 시간을 단축시키기 위해 접합 단계와 동시에 수행된다.
이 단계(d)는 상기 복합 재료 시트가 상기 금속성 재료 시트의 면을 부분적으로 덮도록 수행된다.
성형은 특히, 금속성 재료 시트 상에서 바람직하게는 직접적으로 핫-스탬핑함으로써 수행될 수 있다.
상기 복합 재료 시트는 특히, 온도, 압력 및 가능하게는 기간을 포함하는 사전결정된 조건들에서 상기 접착 재료 층에 의해 상기 금속성 재료 시트에 접합된다.
바람직하게는, 이러한 사전결정된 온도 조건은 복합 재료 시트의 핫-스탬핑 조건에 대응하며, 이러한 조건은 복합 재료 시트의 조성에 따라 변할 수 있다.
유리하게는, 하이브리드 요소의 성형 단계는 복합 재료 시트를 성형하기 위한 효율적인 온도 및 압력 조건에서 상기 금속성 재료 시트 상에 상기 복합 재료 시트를 핫-스탬핑하는(또한, 열압착이라고도 알려져 있음) 단계일 수 있으며, 상기 접합 재료 층은 복합 재료 시트와 금속성 재료 시트 사이에 위치되고, 상기 접합 재료는 상기 핫-스탬핑 조건에서 복합 재료 시트를 금속성 재료 시트에 접합시킬 수 있다.
이는, 특히, 단계(d) 및 단계(e)가 동일한 툴링을 사용하여서 수행되게 하고 이어서 단계(e)가 예를 들어, 사출 또는 압축 성형에 의해 수행되게 한다. 압축에 의해 수행되는 단계(e)의 경우에, 이 단계는 단계(d)와 동시에 수행될 수 있다.
핫 스탬핑은 예를 들어 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. 복합 재료 시트는, 핫 스탬핑 작업 이전에, 이 복합 재료 시트가 연화되게 하기에 충분한 온도로, 예를 들어 복합 재료 시트의 폴리머의 용융 온도와 같거나 더 높은 온도로, 가열된다. 이렇게 연화된 복합 재료 시트는 스탬핑 몰드 내에서, 상기 금속성 재료 시트 상에 위치된다. 스탬핑 작업은 복합 재료 시트를 성형하기 위한 유효 압력 하에서 상기 몰드가 폐쇄되면 수행된다. 예를 들어, 인가된 압력은 80 내지 170 bar, 바람직하게는 100 내지 150 bar 일 수 있다. 상기 몰드는 선택사양적으로, 압력이 가해지는 동안 70 ℃ 내지 160 ℃, 바람직하게는 80 ℃ 내지 140 ℃의 온도에서 유지될 수 있다.
복합 재료 시트를 제공하는 단계 동안 또는 스탬핑 단계의 종료 시에, 유리하게는, 상기 복합 재료 시트를 절단하여서 복합 재료 시트로부터 스크랩을 회수하는 단계, 또는 상기 몰드가 폐쇄될 때 및/또는 스탬핑 작업 중에 상기 웹 또는 실패한 부분들(불량 부분)을 절단함으로써 복합 재료 시트로부터 스크랩을 회수하는 단계가 고려될 수 있다. 이러한 스크랩은 분쇄되어 단계(e)에서 유리하게는 재사용 될수 있다.
단계(e)
강성화 요소의 제조를 포함하는 단계(e)에 있어서, 이 단계는 열가소성 또는 열경화성 폴리머 재료를 사용하여 단계(d)에서 형성된 하이브리드 요소의 적어도 일부의 오버 몰딩을 구현한다. 이 단계는 그의 관성을 증가시킴으로써 하이브리드-구조 부품을 특히 강화시킨다.
단계(e)는 상기 폴리머 재료가 상기 복합 재료 시트로 피복되지 않은 금속성 재료 시트의 면 영역들을 적어도 부분적으로 피복하도록 구현된다.
열가소성 또는 열경화성 폴리머 재료는 상기 단계(b)에서 제공된 복합 재료 시트의 일부를 형성하는 폴리머 재료와 동일하거나 상이할 수 있다.
이 단계는 단계(d)와 상이한 툴링으로 수행될 수 있다.
바람직하게는, 단계(e)는 특히, 단계(d)가 핫 스탬핑에 의해 수행될 때, 상기 단계(d)에서 사용되는 툴링과 동일한 툴링으로 수행되어, 제조 비용을 감소시킨다. 이어서, 단계(e)는 사출 또는 압축 성형 단계일 수 있다.
유리하게는, 형성된 강성화 요소는 강화 리브(stiffening rib)이며, 선택사적으로, 이러한 리브들은 복합 재료 시트에 대해, 즉 복합 재료 시트의 표면에 대해서 실질적으로 수직으로 연장된다.
특히, 금속성 재료의 시트가 오목부를 갖는 경우, 이러한 강성화 요소는 조립체를 보강하도록 상기 오목부 내에 배치되는 것이 유리하다. 특히, 충돌의 경우, 강성화 요소의 존재는 충격 하에서 상기 오목부의 실질적인 개방 또는 폐쇄를 제한한다. 특히, 필러의 경우에, 상기 강성화 요소는 오목화된 섹션의 에지 간격을 유지하면서, 실질적인 개방 또는 폐쇄를 제한하고 상기 필러의 높이 방향으로 또는 길이방향에 수직한 방향으로의 곡률을 제한한다.
바람직하게는, 무작위로 배열된 섬유들이 오버몰딩(overmolding) 전에 폴리머 재료에 첨가되어, 더 강력한 강성화 요소를 수득할 수 있다. 이들 섬유는 단계(b)의 복합 재료 시트에 존재하는 섬유와 동일하거나 상이할 수 있다. 이러한 섬유는 탄소, 유리, 현무암, 금속 또는 고분자 섬유이며, 특히, 아라미드 섬유일 수 있다.
유리하게는, 첨가된 섬유는 복합 재료 시트에 존재하는 섬유들 중 하나 이상과 동일한 타입을 갖는다.
특히, 폴리머 재료는 상기 복합 재료 시트로부터 그리고 상기 단계(d) 또는 상기 단계(b)로부터 회수된 스크랩의 분쇄물(ground-up scraps)을 포함하거나, 이러한 분쇄물은 선택사양적으로 폴리머로, 특히 상기 복합 재료 시트의 복합 재료에 존재하는 폴리머가 보충될 수 있다.
이는 하이브리드-구조 부품의 전체 생산 비용을 감소시킨다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 구현함으로써 얻어질 수 있는 모터 차량의 하이브리드-구조 부품에 관한 것이며, 이러한 부품은 하기의 구성요소들을 포함한다:
- 특히, 성형된, 금속성 재료 시트;
- 상기 금속성 재료 시트의 면을 적어도 부분적으로 피복하는, 특히 성형된 복합 재료 시트로서, 상기 복합 재료 시트는 폴리머 매트릭스 내에 함침되거나 매립된 하나 이상의 섬유 층을 포함하며, 상기 섬유 층은 단일방향 섬유 층 및 직조된 섬유 층 중에서 선택되는, 상기 복합 재료 시트; 및
- 상기 복합 재료 시트로 적어도 부분적으로 피복된 상기 금속성 재료 시트의 면을 적어도 부분적으로 피복하는, 특히 몰딩된 폴리머 재료로서, 상기 폴리머 재료는 선택사양적으로 리브를 형성하는, 상기 폴리머 재료.
이러한 하이브리드-구조 부품은 특히 금속성 재료 시트 및 복합 재료 시트에 실질적으로 수직 방향으로 충돌의 경우에, 특히 충격에 강하다.
상기 금속성 재료 시트, 복합 재료 시트 및 폴리머 재료의 조성은 본 발명에 따른 상기 방법을 참조하여 기술된 바와 같을 수 있다.
이러한 하이브리드-구조 부품은 구조적 필러를 형성할 수 있다. 특히, 이러한 구조적 필러는 차량의 두 문 사이에 위치한 구조적 중심 필러이거나 또는 전방 또는 후방 구조적 필러일 수 있다. 이러한 하이브리드-구조 부품은 또한 길이방향 외측 사이드 레일 또는 루프 크로스 부재, 임팩트 빔 또는 차량의 다른 구조적 부재일 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 복합 재료 시트는 상기 금속성 재료 시트의 일 면을 부분적으로 덮고, 상기 고분자 재료는 상기 복합 재료 시트에 의해 피복되지 않은 상기 금속성 재료 시트의 면 영역들을 적어도 부분적으로 피복한다. 이는 복합 재료 시트의 스크랩의 생성을 제한하고, 부품의 충격 내성에 영향을 주지 않으면서, 자유롭게 남겨진 금속성 재료 시트의 표면을 피복한다.
바람직하게는, 피복되지 않은 금속성 재료 시트의 부분들 또는 이들 부분들 중 일부는 특히 용접에 의해 본 하이브리드-구조 부품을 다른 구조적 부품에 체결시키기 위한 부분이 될 수 있다. 이들은 예를 들어, 하이브리드-구조 부품의 에지 부분들이다. 이와 같이 두 부분들 사이에서 달성되는 부착은 예를 들어 폐쇄 단면을 형성함으로써, 하이브리드-구조 부품을 보강하는 데 사용될 수 있다; 이는 본 하이브리드-구조 부품을 달리 이미 사전에 조립된 모터 차량 차체의 금속 부품에 결합시키는 데에도 사용될 수 있다: 예를 들어, 중심 하이브리드 필러의 경우에, 피복되지 않은 금속성 재료의 시트의 영역들이 그 상부 부분이 루프 크로스 부재 또는 사이드 루프 레일에 용접되고 그 하부 부분이 외측 사이드 레일 또는 금속 로커 패널에 용접될 수 있다.
유리하게는, 금속성 재료 시트의 적어도 하나의 에지는 복합 재료 시트 또는 폴리머 재료 중 어느 것에 의해서도 피복되지 않은, 사전결정된 체결 영역들을 가지며, 이러한 체결 영역들은 특히 용접에 의해 체결될 수 있으며, 상기 사전결정된 체결 영역들은 상기 폴리머 재료로 피복된 영역들에 의해 분리된다. 이러한 구성은 금속성 재료 시트의 에지(들) 상의 관성 파열을 억제하고, 따라서 이들 영역에서 파열 또는 변형되는 것을 방지한다.
이러한 경우, 금속성 재료 시트의 에지가 부착되는, 구조적 부분의 에지가 오목부들을 갖는 것을 고려하는 것이 유리할 수 있다. 상기 오목부들 사이의 에지 영역들은 상기 금속성 재료 시트의 체결 영역들과 접촉하며, 상기 오목부들은 상기 폴리머 재료로 피복된 상기 금속성 재료 시트의 영역들과 접촉한다. 이렇게 하면 조립된 에지들이 강화된다.
물론, 본 하이브리드-구조 부품에 체결되도록 구성된 구조적 부품의 몇몇 에지들은 오목부들을 가질 수 있다.
바람직하게는, 이들 오목부는 폴리머 재료로 피복된 영역들의 존재와 관련된 금속성 재료 시트의 에지의 두께 증가를 보상하도록 성형된다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 하이브리드-구조 부품을 특히, 금속 구조 부품에 조립한 조립체에 관한 것이다.
본 발명은 이제 이하의 비한정적인 도면을 참조하여 설명될 것이다;
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드-구조 부품의 실시예의 분해 사시도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 하이브리드-구조 부품의 부분 사시도로서, 상기 부품의 오목한 측면의 도면이다.
도 3a는 구조 부품에 조립된, 도 2에 도시된 부품의 횡단면도이며, 도 3b는 구조 부품에 조립된, 도 2에 도시된 부품의 에지의 길이 방향 단면이다.
도 1은 모터 차량의 중심 구조적 필러(pillar)(10)를 나타내며, 상기 필러는,
- 금속성 재료의 성형된 시트(12),
- 복합 재료의 성형된 시트(14),
- 복합 재료 시트(14)로 피복된 금속성 재료 시트(12)를 적어도 부분적으로 피복하는 몰딩된 폴리머 재료(16)를 포함하며, 상기 폴리머 재료(16)는 선택적으로 리브들(18)을 형성한다.
금속성 재료 시트(12)는 오목한 내측면(12a) 및 볼록한 외측면(12b)을 갖는 중공 부품의 형태를 갖는다.
복합 재료 시트(14)는 금속성 재료 시트(12)의 내측면(12a)를 피복한다. 이 복합 재료 시트(14)는 폴리머 매트릭스에 함침되거나 매립된 다수의 섬유 층들을 포함한다.
본 발명은 복합 재료 시트(14)가 그 상에 도포된 금속성 재료 시트(12)의 내측면(12a)의 특정 형상으로 제한되지 않으며, 이러한 내측면(12a)은 볼록한 면 또는 다른 면일 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
이와 관련하여, 폴리머 재료(16)는 유리하게는 복합 재료 시트 및 금속성 재료 시트(12 및 14)의 오목부 내측에서 연장되고 이러한 2 개의 시트들(12, 14)의 에지들을 부분적으로 피복하는 리브들(rib)(18)의 네트워크를 형성한다.
예를 들어, 중심의 하이브리드-구조 필러(10)는 다음을 포함한다:
- 0.67 ㎜의 두께를 갖는 강판(10),
- 단일방향 탄소 섬유 및 직조된 유리 섬유를 55 내지 80 중량 %로 함유하는 4.35 ㎜ 두께의 폴리아미드 66-계 복합 재료 시트, 및
- 50 중량 %의 촙드(chopped) 유리 섬유를 함유하는 폴리아미드 66으로 이루어진 2 내지 4.5mm 가변 두께를 갖는 열가소성 재료(16).
이러한 필러는 동일한 충격 거동을 갖는, 완전히 강철로만 이루어진 필러에 비해 30 % 더 가볍다(예를 들어, 시뮬레이션을 통해 확인됨).
도 2, 도 3a, 및 도 3b는 다른 실시예에 따른 하이브리드-구조 부품(110)를 부분적으로 나타낸다. 이 실시예에서, 하이브리드-구조 부품(110)은 또한 금속성 재료의 성형 시트(112), 복합 재료의 성형 시트(114) 및 금속성 재료 시트(112)를 부분적으로 피복하는 몰딩된 폴리머 재료(116)를 포함한다. 도 2 및 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 폴리머 재료(116)는 리브들(118)을 형성한다.
전술한 실시예에서와 같이, 금속성 재료 시트(112)는 오목한 내측면(112a) 및 볼록한 외측면(112b)을 갖는 중공 부품의 형태를 갖는다.
본 실시예에서, 금속성 재료 시트(112)는 특히, 그의 길이 방향의 에지들(113a 및 113b)에서, 복합 재료 시트(114)에 의해 완전히 덮이지는 않는다는 것을 알아야 한다. 이러한 길이 방향 에지들(113a, 113b)은 폴리머 재료(116)로 피복된 영역들(122)과 교번하는 체결 영역들(120)을 갖는다. 이러한 체결 영역들(120)은 복합 재료 시트(114) 또는 폴리머 재료(116)에 의해 피복되지 않으며, 이들이 구조 부품에 고정될 수 있게 하며, 특히 금속 구조 부품에 용접함으로써 이들을 고정시킬 수 있게 한다.
또한, 보다 구체적으로 도 3a(도면의 좌측 부분)에서 볼 수 있는 바와 같이, 체결 영역들(120)이 아니고 복합 재료 시트(114)로 피복되지 않는 금속성 재료 시트(112)의 부분들은 폴리머 재료(116)로 피복된다는 것이 주목되어야 하다. 바꾸어 말하면, 본 실시예에서, 길이 방향에 수직인 단면에서, 구조 부품에 부착되지 않은 금속성 재료 시트(112)의 각 부분은 복합 재료 시트(114) 또는 폴리머 재료 (116)에 의해서 피복된다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 구조 부품에 부착되지 않고 임의의 다른 재료로 피복되지 않은 금속성 재료 시트(112)의 부분들이 존재할 수도 있다.
금속성 구조 부품(124)이 단면도들(3a, 3b)에서 부분적으로 도시되어있다. 하이브리드-구조 부품(110)과의 보다 양호한 조립을 위해, 이 금속성 구조 부품(124)의 에지는 폴리머 재료(116)로 피복된 영역들(122)에 대면하여 위치하고 이러한 영역들(122)의 존재로 인한 에지(113a)의 과도 두께를 보상하도록 설계된 중공 영역들 또는 함몰 영역(125)을 갖는다.

Claims (13)

  1. 모터 차량의 하이브리드-구조 부품(hybrid-structure part)을 제조하는 방법으로서,
    (a) 금속성 재료 시트를 성형하는 단계;
    (b) 폴리머 매트릭스 내에 함침되거나 매립된 하나 이상의 섬유 층을 포함하는 복합 재료 시트를 제공하는 단계로서, 상기 섬유 층은 단일방향 섬유 층 및 직조된 섬유 층 중에서 선택되는, 상기 복합 재료 시트를 제공하는 단계;
    (c) 성형 전 또는 성형 후에, 상기 금속성 재료 시트의 일면 상에 접합 재료(bonding material) 층을 도포하거나, 성형 전 또는 성형 후에, 상기 복합 재료 시트의 일면 상에 접합 재료 층을 도포하는 단계;
    (d) 상기 복합 재료 시트를 상기 금속성 재료 시트의 형상으로 성형하고, 상기 복합 재료 시트가 금속성 재료 시트의 면을 부분적으로 피복하도록, 복합 재료 시트를 상기 접합 재료 층에 의해 금속성 재료 시트에 접합함으로써, 하이브리드 요소(hybrid element)를 형성하는 단계; 및
    (e) 하이브리드-구조 부품을 형성하기 위해 폴리머 재료를 사용하여 상기 형성된 하이브리드 요소의 적어도 일부를 오버몰딩(overmolding)함으로써 강성화 요소들(rigidfication elements)을 생성하는 단계로서, 상기 폴리머 재료가 상기 복합 재료 시트에 의해 피복되지 않은 상기 금속성 재료 시트의 면의 영역들을 적어도 부분적으로 피복하는, 상기 강성화 요소들을 생성하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속성 재료 시트(112)의 적어도 하나의 에지는 상기 복합 재료 시트 및 상기 폴리머 재료(116) 중 어느 것에 의해서도 피복되지 않은 사전결정된 체결 영역들(120)을 포함하고, 상기 사전결정된 체결 영역들(120)은 상기 폴리머 재료(116)로 피복된 영역들(122)에 의해서 분리된 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 요소를 형성하는 단계 (d)는 상기 복합 재료 시트를 성형하기 위한 효율적인 온도 및 압력 조건 하에서 상기 금속성 재료 시트 상에 상기 복합 재료 시트를 핫 스탬핑하는(hot stamping) 단계이며,
    상기 접합 재료 층은 상기 복합 재료 시트와 상기 금속성 재료 시트 사이에 배치되고, 상기 접합 재료 층은 상기 핫 스탬핑 조건에서 상기 복합 재료 시트를 상기 금속성 재료 시트에 접합시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단계 (d) 및 단계 (e)는 동일한 툴링(tooling)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 제공되는 상기 복합 재료 시트는 적어도 하나의 단일방향 섬유 층과 적어도 하나의 직조된 섬유 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 제공되는 상기 복합 재료 시트는 동일한 또는 상이한 섬유들로 구성된 하나 이상의 층을 포함하고, 상기 섬유들은 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 금속 섬유 또는 아라미드 섬유 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (e) 동안, 상기 성형된 강성화 요소는 보강 리브(stiffening rib)이며, 상기 보강 리브는 선택적으로 상기 복합 재료 시트에 수직으로 연장되는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 사용되는 폴리머에 임의적으로 배열된 섬유들이 첨가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 사용되는 상기 폴리머 재료는,
    - 상기 복합 재료 시트로부터 및 상기 단계 (d) 또는 단계 (b)로부터 회수된 스크랩의 분쇄물(ground-up scraps)을 포함하거나,
    - 선택적으로 상기 복합 재료 시트의 복합 재료에 존재하는 폴리머로 보충되는 상기 분쇄물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 재료 시트에 존재하는 폴리머들 및 상기 단계 (e)에서 사용된 폴리머는 서로 동일하거나 상이하고, 지방족 폴리아미드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌, 전술한 폴리머들 중 하나 이상의 혼합물, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 전술한 수지들 중 하나 이상의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하여 제조되는 모터 차량의 하이브리드-구조 부품(10, 110)으로서,
    - 금속성 재료 시트(12, 112);
    - 상기 금속성 재료 시트(12, 112)의 일 면(12a, 112a)을 적어도 부분적으로 피복하는 복합 재료 시트(14, 114)로서, 상기 복합 재료 시트(14, 114)는 폴리머 매트릭스 내에 함침되거나 매립된 하나 이상의 섬유 층을 포함하고, 상기 섬유 층은 단일방향 섬유 층 및 직조된 섬유 층 중에서 선택되는, 상기 복합 재료 시트(14, 114); 및
    - 상기 복합 재료 시트로 적어도 부분적으로 피복된 상기 금속성 재료 시트의 면을 적어도 부분적으로 피복하는 폴리머 재료(16, 116)로서, 상기 폴리머 재료는 상기 금속성 재료 시트의 면을 오버몰딩(overmolding)함으로써 선택적으로 리브(18, 118)를 형성하는, 상기 폴리머 재료(16, 116);를 포함하고,
    상기 복합 재료 시트(114)는 상기 금속성 재료 시트(112)의 면(112a)을 부분적으로 피복하고, 상기 폴리머 재료(116)는 상기 면(112a)의 피복되지 않은 부분을 적어도 부분적으로 피복하고,
    상기 금속성 재료 시트(112)의 적어도 하나의 에지는 상기 복합 재료 시트 및 상기 폴리머 재료(116) 중 어느 것에 의해서도 피복되지 않은 사전결정된 체결 영역들(120)을 포함하고, 상기 사전결정된 체결 영역들(120)은 상기 폴리머 재료(116)로 피복된 영역들(122)에 의해서 분리된 것을 특징으로 하는 하이브리드-구조 부품.
  11. 제 10 항에 따른 하이브리드-구조 부품(110) 및 구조적 부품(124)으로 구성된 조립체로서,
    상기 하이브리드-구조 부품(110)은 체결 영역들(122)에 의하여 상기 구조적 부품(124)에 부착되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 구조적 부품(124)은 상기 금속성 재료 시트(112)의 에지(113a, 113b)가 체결되는 적어도 하나의 에지를 가지고, 상기 구조적 부품(124)의 에지는 오목부들(125)을 가지며, 상기 오목부들 사이의 에지 영역들은 상기 금속성 재료 시트의 체결 영역들(120)과 접촉하고, 상기 오목부들(125)은 상기 폴리머 재료(116)로 피복된 상기 금속성 재료 시트의 영역들(122)과 접촉하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  13. 삭제
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